動中通關鍵技術研究

趙勇 葉鑫

摘要：本文結合動中通的性能特點，探討了動中通技術在現代通信中的應用，對相關技術在其中的應用進行了較為全面的研究分析。

關鍵詞：動中通;現代通信;關鍵技術

中圖分類號：TN927.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0014-02

0 引言

動中通是一種特殊的衛星通信天線系統，能夠在車輛、艦船、飛機等載體移動過程中始終保持對準衛星，從而保證衛星通信連續不中斷，系統框圖如圖1所示。隨著移動多媒體等現代衛星通信需求和技術的發展，基于動中通技術的衛星通信系統已經在軍事、應急、電信等諸多領域得到越來越廣泛的應用。

1 動中通的主要特點

根據天饋技術的不同，可以將動中通分為拋物面型動中通、喇叭陣平板動中通和相控陣動中通等，根據載體的不同，可以將動中通分為車載動中通、艦載動中通和機載動中通等。

總體來看，動中通的主要特點包括：（1）指向保持：天線能夠依靠指向記憶功能，在載體運動導致瞬間中斷后保持精確的指向;（2）極化自動跟蹤：當載體駛出盲區后能夠快速跟蹤衛星，恢復通信;（3）快速捕獲：初始捕獲和丟失信號再捕獲均可在幾秒鐘內完成。（4）多頻段：主要工作頻段包括C，X/SHF，Ka，EHF等。

2 動中通關鍵技術

2.1 天饋原理與技術

動中通天線主要可分為幾種：（1）拋物面型：可采用高效率變焦橢圓波束天線設計技術，形成拋物面或切割拋物面型的反射面，降低天線安裝高度，一般采用碳纖維反射面，減輕重量，可選擇陀螺、慣導等技術實現開環穩定，選擇單脈沖、信標極值方式實現閉環跟蹤，優點是增益高，缺點是難以做到低輪廓。（2）喇叭陣平板型：采用喇叭陣及波導合成、分配技術，形成平板型的天線面，降低天線安裝高度，可采用電鍍注塑工藝，減輕平板重量，選擇陀螺、慣導等技術實現開環穩定，一般選擇信標極值方式實現閉環跟蹤，優點是增益比懸置帶平板天線高，缺點是平板較厚，波導合成網絡復雜。（3）固定方向型：采用收發分離的相控陣天線，三個子陣發射，一個子陣接收，綜合應用INS慣導模塊、GPS和AGC電平實現天線的穩定跟蹤。（4）可調方向型：該型動中通有若干片接收天線和若干片發射天線，基于相控陣天線技術實現天線的空間波束合成，體積得到有效縮小，方位采用機械掃描，俯仰采用機電混合掃描，綜合利用GPS、陀螺、頻蹤、傾角傳感器等實現開環穩定和閉環跟蹤，完成系統的高速動態跟蹤。（5）柱面型：綜合應用INS慣導模塊、GPS和AGC電平實現天線的穩定跟蹤。

2.2 穩定跟蹤原理與技術

（1）慣導跟蹤：采用開環方式，可利用激光或光纖陀螺獲得天線載體的精確姿態，也可首先用中低精度慣導確定航向，再利用DGPS對航向進行精確校準，獲得天線載體的精確姿態，從而控制天線準確對準衛星。利用激光或光纖陀螺獲得天線載體的精確姿態，對系統精度要求較高，激光陀螺和光纖陀螺都是光學陀螺，都是基于薩格奈克效應，不同的是一個在諧振腔中傳播，一個在光纖中傳播。激光陀螺光在諧振腔中傳播，受外界影響小，因此精度較高，但諧振腔成本昂貴。光纖成本低，但是易受溫度變化造成的熱脹冷縮不均以及纏繞時張力變化影響。首先用中低精度慣導確定航向，再利用DGPS對航向進行精確校準，獲得天線載體的精確姿態，這種方法對慣導系統的精度要求不高，同時，DGPS的精度與基線長度密切相關，基線越長，精度越高，且在載體運動時精度較高，靜止時精度較差，初始尋星時所需GPS衛星數量較多，遮擋嚴重時工作受限[1]。（2）單脈沖跟蹤：采用閉環方式，首先，通過陀螺或電子羅盤和GPS的引導，天線能夠基本對準目標衛星，之后再利用天線接收的差信號驅動天線減小誤差，實現對衛星的高精度跟蹤。單脈沖跟蹤需要信道箱、單脈沖跟蹤接收機和模耦合器，對接收機的靈敏度要求較高，天線口徑小，跟蹤范圍在3分貝波束寬度內，如果天線受到遮擋收不到衛星信號或者因載體姿態快速變化超出跟蹤范圍均會導致跟蹤失敗，此時必須利用外部設備進行引導，恢復到跟蹤范圍內，才能繼續實施跟蹤，其系統可靠性一般。（3）信標極值跟蹤：采用閉環方式，首先，通過電子羅盤和GPS的引導，天線能夠基本對準目標衛星，之后再利用接收的信標信號進行運動掃描，完成天線對星，載體運動過程中，利用超前控制、專家庫等技術實現對衛星的高精度跟蹤。由于不需要高成本的慣導和單脈沖接收機，所以采取這種跟蹤方式成本相對比較低，但系統控制較為復雜[2]。

2.3 開環與閉環相結合的測控方案

動中通的功能實現，關鍵在于系統實時測控的高效穩定，既要確保天線的跟蹤精度，又要解決信標丟失后的天線跟蹤問題，所以單獨采用哪一種技術都難以滿足系統的使用要求，需要綜合利用上述穩定跟蹤原理和技術，采用開環穩定、閉環跟蹤、傳感器融合的綜合測控方案，既滿足動中通功能實現的要求，又不依賴GPS、北斗衛星導航系統的信息，從而保持較強的抗干擾能力，其基本控制原理如圖2所示[3]。

開環穩定主要是利用慣性測量組合模塊獲取的信息對天線進行控制，以隔離載體的瞬間擾動對天線指向的影響。通過慣性測量組合模塊測量載體的角速率和線加速度，經過慣性傳感器去噪、姿態估計算法和跟蹤信息陀螺誤差校正后，獲得姿態角和角速率信息。為了對不同傳感器進行數據融合，盡量克服其對姿態估計的影響，可以應用姿態估計算法，快速獲取并準確跟蹤陀螺零偏，同步獲取準確的角速度信號。開環穩定在伺服工作的環路上主要體現為穩定環和位置環，其中穩定環的機理是隔離方程，利用組合姿態確定模塊提供的角速率直接投影到天線坐標系進行補償，保持波束在慣性空間指向穩定，位置環穩定則是由組合姿態確定模塊獲取的載體姿態，經坐標轉換后得到天線指向角，在位置環路上實現捷聯穩定。單獨采用開環穩定時，慣性器件、伺服系統的漂移以及其它系統因素的影響，會導致天線波束逐漸偏離衛星波束中心，這就需要利用閉環跟蹤對天線指向進行校正，從而保持天線準確地指向衛星。

3 結語

為了使動中通的性能達到最優，除采用合理的測控方案外，還可以綜合加速度計和陀螺各自的優點，形成互補濾波器，使得在整個運動速度范圍內，載體傳感器敏感測量獲得的值相對比較準確，使天線的穩定跟蹤能力得到最大化保證。另外，可以根據陰影時間與基于姿態測量建立的軟基準保持的精度，以自適應的方式設置搜索窗口，基于陀螺信息實現波束指向保持，在陰影狀態下自適應在窗口范圍內搜索衛星信標，較好地解決重捕獲問題，在遮擋消失后快速捕獲衛星恢復正常通信。

參考文獻

[1] 王秉鈞.現代衛星通信系統[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2] 張亞男.低成本動中通測控系統姿態估計算法的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2015.

[3] 林衛民.信息化戰爭與衛星通信[M].北京：解放軍出版社，2005.